CN1928460B

CN1928460B - 太阳自动跟踪电路

Info

Publication number: CN1928460B
Application number: CN2006101166160A
Authority: CN
Inventors: 姜文宁; 陈迪; 李长治; 陈建平
Original assignee: XINYA ELECTROMECHANIC CO Ltd NINGBO
Current assignee: XINYA ELECTROMECHANIC CO Ltd NINGBO
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: CN1928460A

Abstract

一种太阳自动跟踪电路，用于能源技术领域。本发明包括：光敏传感器，其为整个电路提供位置传感信号；电源电路，其为整个电路提供稳压直流电源；信号调理电路，其对光敏传感器引入的传感信号进行选通、放大；实时时钟电路，其为电路提供准确的时间标度，为单片机建立的数学模型提供输入；单片机主电路，其为电路的核心部分，对输入的位置和时间信号进行处理，并发出控制信号给电机驱动电路。电机驱动电路驱动电机进行位置校正。本发明结合时间输入和传感器输入来判断位置，大大提高了判断精度，电路中通过加设了多级调理电路，使光电传感模块可能因随温度变化导致的精度降低的问题得到了解决。

Description

太阳自动跟踪电路

技术领域

本发明涉及的是一种能源技术领域的电路，具体是一种太阳自动跟踪电路。

背景技术

太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，开发利用太阳光照明技术意义重大，不仅表现在节能上，健康绿色的太阳光也符合人类追求生活质量和生活环境的要求。由于太阳光的采集受到时间、气候影响大，光强波动范围大，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。为合理高效的利用太阳能，需要实现太阳的自动跟踪。

经对现有技术的文献检索发现，专利申请号为99228399.X名称为“全自动跟踪太阳的采光装置”，该技术设计到了一种太阳自动跟踪电路的硬件实现，该专利采用8751单片机结合光敏探测电路、极限开关电路、继电器电路、电机控制电路实现了整个硬件电路。对此方案进行分析后发现其存在三个主要问题：首先是光传感模块采用了众多光纤束，模块设计的过于复杂很不科学，造价昂贵，对加工精度要求也很高，难以推广；其次在于该电路仅仅通过光电传感探测太阳的位置，一旦遇到光强不够或传感器受到环境的影响导致精度降低，很可能会降低跟踪精度甚至跟踪不上，实际过程中可靠性不高；再就是方案采用了精度较低的直流电机来驱动，导致驱动电机时产生的位移误差很大，想要达到很高的精度十分困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足和缺陷，提供一种高精度低成本的太阳自动跟踪电路。本发明利用单片机作为主控芯片，利用步进电机进行驱动。本发明在步进电机和电机驱动电路之间另外加设了细分驱动器，可使驱动精度进一步得到了提高，可以达到0.028125°/步，实现了太阳的高精度跟踪。

本发明是通过以下技术方案实现的。本发明包括：光敏传感器、电源电路、信号调理电路、实时时钟电路、单片机主电路、电机驱动电路，其中：

光敏传感器的输入直接为太阳信号，将太阳的当前位置变化转化为光敏电阻阵列的电阻变化，以便于下一步处理，输出接信号调理电路；

信号调理电路输入接光敏传感器的输出，对光敏传感器引入的传感信号进行选通、放大，进一步转化为电路可以接受的电信号，输出接单片机主电路；

实时时钟电路的输入为32kHz的晶体，其为整个电路提供准确的时间标度，提供当前准确时间的信号，为单片机主电路建立的数学模型提供输入，输出接单片机主电路；

电机驱动电路输入为单片机主电路，实现硬件电路控制部分和驱动部分的隔离，为步进电机提供准确的信号。输出接细分驱动器，细分驱动器的输出直接与电机相连；

电源电路输入接AC220V市电，其为整个电路以及电机提供稳压直流电源，输出至上述的各个子电路；

单片机主电路的输入接信号调理电路、实时时钟电路、电源电路、其他IO信号(如限位开关提供的信号等)等，其为整个电路的核心部分，对输入的位置和时间信号进行处理，并给电机驱动电路提供驱动脉冲信号，给上述其他子电路提供其他IO控制信号，单片机的输出接电机驱动电路、键盘显示(预留接口)、串口通信(预留接口)等。

与现有技术相比，本发明结合时间输入和传感器输入来判断位置，大大提高了判断精度，电路中通过加设了多级调理电路，使光电传感模块可能因随温度变化导致的精度降低的问题得到了解决。本发明能在简化电路、降低成本的前提下达到较高的跟踪精度。

附图说明

图1为太阳自动跟踪装置的硬件电路结构框图。

图2为光敏传感器电路连接图。

图3为信号调理电路连接图。

图4为单片机主电路连接图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：光敏传感器，其为整个电路提供位置传感信号；电源电路，其为整个电路提供稳压直流电源；信号调理电路，其对光敏传感器引入的传感信号进行选通、放大；实时时钟电路，其为整个电路提供准确的时间标度，为单片机主电路建立的数学模型提供输入；单片机主电路，其为整个电路的核心部分，对输入的位置和时间信号进行处理，并发出控制信号给电机驱动电路。电机驱动电路驱动电机进行位置校正。

如图2所示，光敏传感器的构成和连接方式为：按十字型X+、X-、Y+、Y-四个方向各紧密排列2个光敏电阻，8个光敏电阻一端共地，另一端接至信号调理电路的输入端。不同的光敏电阻阻值相差很多，并且阻值受环境影响也很大，因此一定要加设信号调理电路。另外采集日光用的光纤可以安放在光敏传感器正中，为光敏电阻所包围，这样大大简化了电路结构。

电源电路的构成和连接方式为：开关电源输入接AC220V，输出24V和12V两路电源信号。电路通过此开关电源接入12V直流电源，经过两个三端稳压芯片分别转换为数字5V和模拟5V。数字5V再经过三端稳压芯片转换为数字3.3V。输入接三端稳压芯片的1号脚，输出接3号脚，芯片的2号脚接地。电源输入端和输出端分别加设一个100uF和47uF的电解电容，输出端另外并联数个0.1uF的电容进行去耦。产生的数字5V电源提供给单片机主电路使用，数字3.3V提供给实时时钟电路使用。24V电源提供给步进电机驱动电路使用。

如图3所示，信号调理电路的构成和连接方式为：光敏传感器的信号线连接至模拟开关SW1的输入第1、2、4、5、12、13、14、15脚，SW1的输出第3脚连接至SW2的输出第3脚，SW2的输入第1、2、4、5、12、13、14、15脚分别经由阻值按比例递增的电阻连接至模拟5V，目的是对信号的采样过程进行优化。SW1和SW2的第16脚接数字5V，第6、7、8脚直接接地。SW1和SW2的通道选择端第9、10、11脚均连接至单片机的IO口，SW1的输出输出第3脚(SW2的输出输出第3脚)连接至运算放大器OP1的负相输入第2脚，OP1的正相输入第3脚通过电阻分别与地和OP1的输出第6脚相连，目的是对采样信号进行放大，电阻阻值比即为信号放大比。OP1的第7脚接模拟5V并并联一个0.1uF的电容，第4脚直接接地，1、8引脚悬空。OP1的输出第6脚直接接单片机主电路的模拟量输入端。

实时时钟电路的构成和连接方式为：实时时钟的备用电源第16脚接3.3V的纽扣电池的正极，第1、2、7、8、9、10、11、12、13、14、15、19脚直接接地，第4脚接数字5V并并联0.1uF的电容，复位端第6脚和单片机的复位端一同连接至复位芯片的输出，闹钟中断输出第5脚接至单片机的外部中断，为避免干扰接上拉电阻至数字5V，实时时钟的时钟线第18、20脚和数据线第17脚接至单片机的IO口，为避免干扰，时钟信号线和数据信号线还应加上拉，另外，实时时钟电路和单片机主电路的信号连接都要经过电平转换。

如图4所示，单片机主电路的构成和连接方式为：单片机的部分IO口用于产生控制信号，部分用于与上面电路的接口，单片机的TXD和RXD分别接至电平转换芯片的输入端和输出端用于UART通信，利用单片机内部的PWM模块产生两路PWM脉冲，另外利用IO产生两路方向信号连接至光耦U1、U2、U3、U4的第2脚，光耦的第3脚连接电阻至地，第5脚直接接地，第8脚接数字5V并与第6脚以电阻相连，第6脚输出至驱动电路的输入端并添加了1uF的电容，光耦的第1、4、7脚悬空。

电机驱动电路的连接方式为：光耦U1、U2和U3、U4的第6脚分别接电机细分驱动器方向信号端、脉冲信号端，光耦U1、U2、U3、U4的第5脚(公共地)与电机驱动器的公共地端相连。

本发明中通过在电机驱动电路的输出和步进电机输入之间加设细分驱动器，进一步提高了驱动精度，达到0.028125°/步。电机细分驱动器的电源输入接与上述电源电路的24V输出。电机细分驱动器的A+、A-、B+、B-分别连接至步进电机的A+、A-、B+、B-端。

当位置信号传入信号调理电路后，信号调理电路通过判断当前环境的变化动态的对位置信号进行调理放大，转换为实时时钟电路能够处理的信号。实时时钟电路结合当前时间和当前位置，通过复杂的软件算法对当前位置信号进行进一步的优化，计算出各轴偏移量的大小，从而控制实时时钟电路发出一定数量的脉冲驱动步进电机进行位置的校正，实验结果显示出跟踪精度可以达到0.1°左右。

Claims

1.一种太阳自动跟踪电路，包括：光敏传感器、电源电路、信号调理电路、实时时钟电路、单片机主电路、电机驱动电路，其特征在于：

光敏传感器的输入直接为太阳信号，将太阳的当前位置变化转化为光敏电阻阵列的电阻变化，输出接信号调理电路；光敏传感器的构成和连接方式为：按十字型X+、X-、Y+、Y-四个方向各紧密排列2个光敏电阻，8个光敏电阻一端共地，另一端接至信号调理电路的输入端；

信号调理电路输入接光敏传感器的输出，对光敏传感器引入的传感信号进行选通、放大，进一步转化为电路能接受的电信号，输出接单片机主电路；

电机驱动电路输入为单片机主电路，实现硬件电路控制部分和驱动部分的隔离，为步进电机提供准确的信号，输出接电机；

电源电路输入接AC220V市电，其为整个电路以及电机提供稳压直流电源，输出24V和12V两路直流电源信号，输出至上述的各个电路；

单片机主电路的输入接信号调理电路、实时时钟电路、电源电路以及除上述以外的IO信号，单片机主电路为整个电路的核心部分，对输入的位置和时间信号进行处理，并给电机驱动电路提供驱动脉冲信号，单片机主电路的输出接电机驱动电路、键盘显示。

2.如权利要求1所述的太阳自动跟踪电路，其特征是：信号调理电路的构成和连接方式为：光敏传感器的信号线连接至模拟开关SW1的输入第1、2、4、5、12、13、14、15脚，SW1的输出第3脚连接至SW2的输出第3脚，SW2的输入第1、2、4、5、12、13、14、15脚分别经由阻值按比例递增的电阻连接至模拟5V，对信号的采样过程进行优化；SW1和SW2的第16脚接数字5V，第6、7、8脚直接接地，SW1和SW2的通道选择端第9、10、11脚均连接至单片机的IO口，SW1的输出第3脚与SW2的输出第3脚直接相连，同时连接至运算放大器OP1的负相输入第2脚，OP1的正相输入第3脚通过电阻分别与地和OP1的输出第6脚相连，对采样信号进行放大，电阻阻值比即为信号放大比；OP1的第7脚接模拟5V并并联一个0.1uF的电容，第4脚直接接地，1、8引脚悬空，OP1的输出第6脚直接接单片机主电路的模拟量输入端。

3.如权利要求1所述的太阳自动跟踪电路，其特征是：单片机主电路的构成和连接方式为：单片机的部分IO口用于产生控制信号，部分用于与上面电路的接口，单片机的TXD和RXD分别接至电平转换芯片的输入端和输出端用于UART通信，利用单片机内部的PWM模块产生两路PWM脉冲，另外利用IO产生两路方向信号连接至光耦U1、U2、U3、U4的第2脚，光耦的第3脚连接电阻至地，第5脚直接接地，第8脚接数字5V并与第6脚以电阻相连，第6脚输出至驱动电路的输入端并添加了1uF的电容，光耦的第1、4、7脚悬空。

4.如权利要求1所述的太阳自动跟踪电路，其特征是：实时时钟电路的构成和连接方式为：实时时钟的备用电源第16脚接3.3V的纽扣电池的正极，第1、2、7、8、9、10、11、12、13、14、15、19脚直接接地，第4脚接数字5V并并联0.1uF的电容，复位端第6脚和单片机的复位端一同连接至复位芯片的输出，闹钟中断输出第5脚接至单片机的外部中断，实时时钟的时钟线第18、20脚和数据线第17脚接至单片机的IO口，时钟信号线和数据信号线加上拉，另外，实时时钟电路和单片机主电路的信号连接都要经过电平转换。

5.如权利要求1所述的太阳自动跟踪电路，其特征是：电源电路的构成和连接方式为：电路通过开关电源接入12V直流电源，经过两个三端稳压芯片分别转换为数字5V和模拟5V，数字5V再经过三端稳压芯片转换为数字3.3V；输入接三端稳压芯片的1号脚，输出接3号脚，芯片的2号脚接地；电源输入端和输出端分别加设一个100uF和47uF的电解电容，输出端另外并联数个0.1uF的电容进行去耦，产生的数字5V电源提供给单片机主电路使用，数字3.3V提供给实时时钟电路使用。

6.如权利要求3所述的太阳自动跟踪电路，其特征是：电机驱动电路的连接方式为：光耦U1、U2和U3、U4的第6脚分别接电机细分驱动器方向信号端、脉冲信号端，光耦U1、U2、U3、U4的第5脚与电机驱动器的公共地端相连。

7.如权利要求6所述的太阳自动跟踪电路，其特征是：细分驱动器的电源输入与电源电路的24V输出相连接，电机细分驱动器的A+、A、B+、B-分别连接至步进电机的A+、A、B+、B-端，驱动精度达到0.028125°/步。